化工原理课件(天大版)

返回版权所有，未经授权禁止复制或建立镜像。谢谢!12:40:281化工原理PrinciplesofChemicalEngineering使用教材：姚玉英主编，化工原理，天津大学出版社，1999参考教材：陈敏恒主编，化工原理，化学工业出版社，2002蒋维钧主编，化工原理，清华大学出版社，1993返回12:40:2820绪论1流体流动2流体输送机械3非均相物系的分离和固体流态化5蒸馏6吸收7蒸馏和吸收塔设备8液－液萃取9干燥4传热返回12:40:2830绪论0.1化工生产与单元操作0.2单位制与单位换算0.3物料衡算与能量衡算返回12:40:2840绪论0.1化工原理课程的性质和基本内容1.化工生产过程原料预处理化学反应产物后处理物理过程单元操作化学反应过程反应器物理过程单元操作返回12:40:285返回12:40:286返回12:40:2872.单元操作（UnitOperation）单元操作按其遵循的基本规律分类：（1）遵循流体动力学基本规律的单元操作：包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等；（2）遵循热量传递基本规律的单元操作：包括加热、冷却、冷凝、蒸发等；（3）遵循质量传递基本规律的单元操作：包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等；返回12:40:288（化学吸收）洗衣粉的工艺流程旋转混合器燃硫转化塔磺化器液体磺酸静电除雾器碱洗塔气净气放空反应器NaOH配料缸其它液、固计量喷雾干燥塔包装布袋除尘大气（干燥）（反应）（分离）返回12:40:289单元操作的研究内容与方向：单元操作的基本原理；单元操作典型设备的结构；单元操作设备选型设计计算。设备的改进及强化；研究内容高效率、低能耗、环保；开发新的单元操作;单元操作集成工艺与技术。研究方向返回12:40:28100.2单位制与单位换算一、基本单位与导出单位基本单位：选择几个独立的物理量，以使用方便为原则规定出它们的单位；导出单位：根据其本身的意义，由有关基本单位组合而成。单位制度的不同，在于所规定的基本单位及单位大小不同。返回12:40:2811二、常用单位制基本单位：7个，化工中常用有5个，即长度（米），质量（千克），时间（秒），温度（K），物质的量（摩尔）国际单位制（SI制）基本单位：长度（厘米cm），质量（克g），时间（秒s）物理单位制（CGS制）基本单位：长度（米），重量或力（千克力kgf），时间（秒）工程单位制我国法定单位制为国际单位制（即SI制）返回12:40:2812三、单位换算物理量的单位换算换算因数：同一物理量，若单位不同其数值就不同，二者包括单位在内的比值称为换算因数。（附录二）经验公式的单位换算经验公式是根据实验数据整理而成的，式中各符号只代表物理量的数字部分，其单位必须采用指定单位。返回12:40:2813以单位时间为基准，如：h，min，s。参数=f(x,y,z)以每批生产周期所用的时间为基准。参数=f(x,y,z,)uA恒定uB=0=☆稳定操作非稳定操作0.3物料衡算与能量衡算返回12:40:2814衡算微分衡算(非稳态)三维一维dxdzdydz(1)物料衡算（质量衡算）物料衡算反映原料、产品、损失等各种物料流股间量(质量/摩尔流量)的关系。总体衡算(稳态)其范围可以是某设备的大部分、全部，或是由几个设备组成的一段生产流程、一个车间甚至整个工厂。返回12:40:2815物料衡算可以表示为：GI=GO+GA(0-2)输入的各种物料输出的各种物料设备内积累的各种物料此式为总物料衡算式，也适用于物料中的某个组分。如精馏：W,xwD,xDF,xF(因稳定操作，故无积累一项。)注意：在有化学反应的情况下，物料衡算式只适用于任一元素的衡算。总流量物料衡算：F=D+WA组分物料衡算：FxF=DxD+WxW返回12:40:2816例1(清华版，P6)：稳态时的总物料衡算及组分物料衡算解：首先根据题意画出过程的物料流程图生产KNO3的过程中，质量分率为0.2的KNO3水溶液，以F=1000kg/h的流量送入蒸发器，在422K下蒸发出部分水得到50%的浓KNO3溶液。然后送入冷却结晶器，在311K下结晶，得到含水0.04的KNO3结晶和含KNO30.375的饱和溶液。前者作为产品取出,后者循环回到蒸发器。过程为稳定操作，试计算KNO3结晶产品量P、水分蒸发量W和循环的饱和溶液量R。返回12:40:2817蒸发器422K冷却结晶器311KF=100020%S50%R,37.5%W,0.0%P1-0.04解题思路：题求三个量，如何列物料衡算式。首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。1．求KNO3结晶产品量P按虚线框作为物料衡算范围，只涉及两个未知量。GI=GO+GA返回12:40:2818KNO3组分的物料衡算：F20%=W0%+P(100－4)%100020%=0+P96%则：P=208.3kg/h2．水分蒸发量W(物衡范围同1.)总物料衡算式：F=W+P则：W=F－P=1000－208.3=791.7kg/h3．循环的饱和溶液量R此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均可，但前者涉及4个量，后者仅3个量1个已知，因此宜以结晶器为衡算范围。总物衡式：S=R+P即：S=R+208.3返回12:40:2819KNO3组分物衡：0.5S=0.375R+0.96P两式联立解得：R=766.6kg/h例2：非稳态时的物料衡算（P6例0-4）用1.5m3/s送风量将罐内有机气体由6%吹扫至0.1%(体积)，求所需时间。4mH=10m1.5m3/sv=v%1.5m3/sv=0%解：∵罐内气体浓度随时间变化，∴用微分衡算。返回12:40:2820在d时间内，对有机气体的“体积”作衡算：根据GI=GO+GA，有1.5m3/s空气0d=1.5m3/s有机气vd+HdvD24d内排出的有机气体量d内罐内浓度改变量d内加入的有机气体量整理并积分：s...ln.)v(ln.vdv.|....83420010060738373831045140010060001006020010060251421..vdvHD.d返回12:40:2821(2)能量衡算能量有很多种，如机械能、热能、电能、磁能、化学能、原子能、声能、光能等。化工过程中主要涉及物料的温度与热量的变化，因此：热量衡算是化工中最常用的能量衡算。质量衡算与能量衡算的异同点：同：都须划定衡算的范围和时间基准。异：1)热量衡算须选择物态和温度基准，这是因为物料所含热量（焓）是温度和物态的函数。液态物质的温度基准常取273K。2)对于有化学反应的系统，须考虑反应物、生成物的差异，因为既使同温，若浓度不同，则它们的焓值及反应热亦不同。3)热量除随物料输入/出外，还可通过热量传递的方式输入/出系统。返回12:40:2822热量衡算的依据是能量守恒定律，即：QI=QO+QL+QA式中下标符号的意义:I:进入O:离开L:散失A:积累例3(P8例0-5)溶液的平均比热为3.56kJ/(kg.℃)求：换热器热损失QL占水蒸气提供热量的百分数?120℃饱和水蒸气0.095kg/s120℃饱和水0.095kg/s25℃溶液1.0kg/s80℃溶液1.0kg/sQL=?返回12:40:2823解：查P357附录九：120℃水蒸气焓值为2708.9kJ/kg，120℃饱和水焓值为503.6kJ/kg。稳定操作无积累QA=0，则有QI=QO+QL即蒸汽带入Q1+溶液带入Q2=凝液带出Q3+溶液带出Q4+QL如图虚线为衡算范围Q1=0.095×2708.9=257.3kwQ2=1×3.56×(25－0)=89kwQ3=0.095×503.67=47.8kwQ4=1×3.56×(80－0)=284.8kwLQ...4284847893257即：kW.QL713%54.6%1008.473.2577.13热损失：返回12:40:2824例4非稳定热量衡算举例W=8t/hT3=100℃水蒸气冷凝水G=20t罐内盛有20t重油，初温T1=20℃，用外循环加热法进行加热，重油循环量W=8t/h。循环重油经加热器升温至恒定的100℃后又送回罐内，罐内的油均匀混合。问：重油从T1升至T2=80℃需要多少时间，假设罐与外界绝热（QL=0）。解：∵非稳态，∴有QA项，以罐为物衡范围，1h为时间基准，0℃为温度基准。返回12:40:2825在d时间内：输入系统重油的焓=WCpT3d输出系统重油的焓=WCpTd系统内积累的焓=GCpdT则：热衡式：WCpT3d=WCpTd+GCpdT化简得：W(T3－T)d=GdT积分有：h.lnTTdTWGd47380100201008208020321返回版权所有，未经授权禁止复制或建立镜像。谢谢!12:40:2826第一章流体流动FlowofFluid返回12:40:28271.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.5流体在管内的流动阻力1.6管路计算1.7流量的测量返回12:40:28281.研究流体流动问题的重要性因此，流体流动成为各章都要研究的内容。流体流动的基本原理和规律是“化工原理”的重要基础。流体流动的强度对热和质的传递影响很大。强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动条件和规律。传热—冷、热两流体间的热量传递；传质—物料流间的质量传递。化工生产过程中，流体（液体、气体）的流动是各种单元操作中普遍存在的现象。如：返回12:40:2829流体流动规律在流体输送及传热/质方面的应用在以后各章具体介绍。2.本章主要研究内容：1．流体流动规律(主要管内)—流体动力学；２．静止流体的规律—流体静力学；３．流体静力学在测量压强、流速(量)、液位及保持设备内压强(或常压)方面的应用从工程实际情况出发，流动规律的研究采用宏观方法，主要研究流体的宏观运动规律。因此将流体视为“连续介质”—无数微团(或称质点)组成，其间无间隙、完全充满所占据的空间。★高真空状态除外!※流体流动的研究方法：返回12:40:28303.流体在流动中受到的力b.表面力—作用于流体质点表面的力，与表面积成正比。表面力一般分为两类：一为垂直于表面的力称压力，一为平行于表面的力称剪力。a.体积力—作用于每个质点上的力，与流体质量成正比。对于质量均匀的流体则与体积成正比。重力和离心力是两个典型的体积力。返回12:40:28314.流体的特征具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。返回12:40:28321.1流体的物理性质1.1.1密度一、定义单位体积流体的质量，称为流体的密度。Vmkg/m3二、单组分密度),(Tpf液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。返回12:40:2833气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：RTpM注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值，若条件不同，则密度需进行换算。004.22TPPMTM－气体的摩尔质量;R－8.315×103J/(kmol·K)下标“０”表示标准状态实际上，某状态下理想气体的密度可按下式进行计算：返回12:40:2834三、混合物的密度混合气体各组分在混合前后质量不变，则有nnm2211——气体混合物中各组分的体积分率。n21,或RTpMmmmM——混合气体的平均摩尔质量nnmyMyMyMM2211nyyy21,——气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。返回12:40:2835混合液体假设各组分在混合前后体积不变，则有nnmaaa22111naaa21,——液体混合物中各组分的质量分率。四、比容单位质量流体具有